Techniklexikon

Clusterwachstum

Mechanismus der Entstehung von Clustern. Je nach Art der verwendeten Clusterquelle spielen dabei eine Vielzahl von physikalischen Effekten eine Rolle.

Liegt das Material als atomarer Dampf vor, so handelt es sich beim Clusterwachstum um einen Kondensationsprozess: Sinkt der Sättigungsdampfdruck des Materials unter den tatsächlich herrschenden Druck (z.B. als Folge einer Abkühlung), so kommt es zur Übersättigung und nach erfolgter Keimbildung zur Kondensation, d.h. Clusterbildung. Dieser Vorgang lässt sich sowohl auf atomarer Ebene als auch makroskopisch mit Hilfe der klassischen Kondensationstheorie beschreiben, die zur Beschreibung von Nebelkammern für den Nachweis von Elementarteilchen entwickelt wurde.

Im Rahmen einer atomistischen Beschreibung beginnt das Clusterwachstum mit der Bildung eines Dimers aus zwei einzelnen Atomen (Abb.). Dieses Dimer dient dann als Kondensationskeim für die weitere Anlagerung von Atomen. Aus Gründen der Energie- und Impulserhaltung können Dimere (und Trimere) nur durch einen Dreikörperstoss stabilisiert werden, während bei der Anlagerung eines Atoms an grössere Cluster die Anzahl der inneren Freiheitsgrade meist ausreicht, um überschüssige Energie vorübergehend aufzunehmen. Daher wird die Anlagerung eines Atoms immer wahrscheinlicher, je grösser der Cluster ist. Die Clusterentstehung ist also im wesentlichen durch die Reaktionsrate für die Dimer- und Trimerbildung begrenzt, da alle nachfolgenden Prozesse um Grössenordnungen wahrscheinlicher sind. Steigt das Verhältnis der Zahl von Clustern zu der von einzelnen Atomen, müssen auch Cluster-Cluster-Stösse berücksichtigt werden.

Wird der atomare Dampf z.B. durch Ionenbeschuss (Sputtern) erzeugt, so existieren viele Ionen und freie Elektronen, die positiven Einfluss auf die Keimbildung und somit das Clusterwachstum haben. Insbesondere können positiv geladene Edelgasionen Verbindungen mit Metallatomen eingehen.

Clusterwachstum: Das Clusterwachstum beginnt mit der Bildung eines Dimers, an das sich einzelne Atome anlagern (a). Erst bei grösseren Clustern findet man auch kristallähnliche Strukturen (b).